FI111939B - Menetelmä ja laitteisto lasipinnoitteen valmistamiseksi - Google Patents

Description

111939

Menetelmä ja laitteisto lasipinnoitteen valmistamiseksi

Keksinnön kohteena on oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä tasomaisen, erityisesti tasoaaltojohteissa 5 käytettäväksi soveltuvan lasipinnoitteen valmistamiseksi. Keksinnön kohteena on lisäksi oheisen patenttivaatimuksen 10 johdanto-osan mukainen laitteisto em. menetelmän toteuttamiseksi.

Optinen tasoaaltojohde (optical planar waveguide) saadaan aikaan 10 muodostamalla sopivan substraatin, esimerkiksi piikiekon päälle erilaisen taitekertoimen omaavia päällekkäisiä lasikerroksia. Perinteisesti piikiekon päälle muodostetaan lasista aluksi ns. alimmainen kuorikerros (undercladding), jonka päälle muodostetaan em. kuorikerrosta hieman suuremman optisen taitekertoimen omaava ydinkerros (core). 15 Tähän ydinkerrokseen muokataan haluttu aaltojohdekuvio esimerkiksi fotolitografisia (photolithographic) menetelmiä käyttäen. Ydinkerroksen päälle muodostetaan edelleen kolmas, hieman ydinkerrosta pienemmän optisen taitekertoimen omaava ns. päällimmäinen kuorikerros (upper cladding). Näin muodostetussa aaltojohderakenteessa valo ete-20 nee ydinkerroksessa samaan tapaan kuin optisen valokuidun ytimessä.

Optisia tasoaaltojohteita käytetään nykyisin hyvin laajasti erilaisissa sovelluksissa. Esimerkkeinä tasoaaltojohteiden eräistä tärkeimmistä sovellusalueista mainittakoon tietojenkäsittely- ja tietoliikennetekniikka ·. 25 sekä erilaiset mittaus- ja anturisovellukset. Tasoaaltojohteet mahdol listavat optisten rakenteiden ja elementtien pakkaamisen samalle substraatille pieneen tilaan kompaktiksi kokonaisuudeksi, jolla pienen koon lisäksi etuina voivat olla mm. pienet optisen signaalin häviöt sekä suuri toimintanopeus. Näissä suhteissa tasoaaltojohteilla voidaan aja-30 telia siis saavutettavan samankaltaisia etuja kuin perinteisillä integroiduilla piireillä (integrated circuits), joissa samalla substraatilla käytetään pelkästään sähköisiä komponentteja. Optisiin tasoaaltojoh-teisiin voidaan samalle substraatille yhdistää nykyisin optisten komponenttien ja rakenteiden lisäksi myös sähköisiä komponentteja ja ‘ . 35 rakenteita.

Ί11939 2

Eräs tunnettu ja laajasti käytetty menetelmä optisissa tasoaaltojoh-teissa tarvittavien lasikerrosten muodostamiseksi on ns. liekkihydro-lyysipinnoitus FHD (Flame Hydrolysis Deposition).

5 US-patentissa 5,622,750 on kuvattu eräs tapa tasoaaltojohteissa käytettävien lasikerrosten muodostamiseksi FHD-menetelmää käyttäen. Em. patentissa kuvatussa menetelmässä lasin valmistuksessa tarvittavat lähtöaineet sekoitetaan yhteen liuokseksi, josta liuoksesta muodostetaan aerosolipisaroita, jotka aerosolipisarat johdetaan kanto-10 kaasun mukana polttimeen ja edelleen liekkiin. Termisenä reaktorina toimivassa liekissä aerosolipisaroista muodostuu aerosolihiukkasia, jotka aerosolihiukkaset edelleen termoforeesin vaikutuksesta ohjautuvat pinnoitettavalle substraatille muodostaen lasimateriaalipin-noitteen. Tasalaatuisen ja tasavahvan pinnoitekerroksen aikaansaami-15 seksi substraattia liikutellaan liekkiin nähden poikittaissuuntaisessa tasossa edestakaisin pinnoituksen aikana. Kun FHD-menetelmällä on saatu kasvatettua sopiva pinnoitekerros lasimateriaalia substraatin päälle, sintrataan em. pinnoitekerros tiiviiksi lasikerrokseksi lämpökä-sittelemällä substraatti korkeassa lämpötilassa erillisessä uunissa.

20

Patentissa US 5,622,750 esitetyssä FFID-menetelmässä, samoin kuin myös muissa tunnetuissa menetelmissä, joissa käytetään liekkiä, plasmaa tai jotain muuta termistä reaktoria synnyttämään lähtöaineista nanometrien kokoluokkaa olevia aerosolihiukkasia, ohjautuvat pinnoit-/; 25 teen muodostavat aerosolihiukkaset pinnoitettavaan kohteeseen olen naisesti termoforeesin vaikutuksesta. Ts. termisenä reaktorina toimivan liekin tms., ja sitä merkittävästi kylmemmän substraatin välisestä lämpötilagradientista johtuen termisessä reaktorissa muodostuvat aerosolihiukkaset ajautuvat lämpöliikkeensä ja siitä aiheutuvien keski-30 näisten törmäysten vaikutuksesta kohti substraattia. Aerosolihiukkasten pienestä koosta ja vähäisestä massasta johtuen niiden liekistä saamalla, substraattia kohti suuntautuvalla liikemäärällä (massa x nopeus) on termoforeesiin verrattuna vähäinen merkitys aerosolihiukkasten kuljettamisessa substraatin pinnalle.

35

Tasoaaltojohteen sisältämien lasikerrosten homogeenisella laadulla (haluttu lasikerroksen paksuus, haluttu lasikerroksen koostumus, lasi- 3 111939 kerroksen sisältämät paikalliset virheet) on erittäin keskeinen merkitys tasoaaltojohteen optisiin ominaisuuksiin ja edelleen tasoaaltojohteen käytettävyyteen. Optisten ominaisuuksien lisäksi tasoaaltojohteen eri lasikerrokset tulee sovittaa mekaanisilta ominaisuuksiltaan, kuten esi-5 merkiksi lämpölaajenemisen osalta toisiinsa sopiviksi kestävien rakenteiden aikaansaamiseksi. Nämä kaikki em. seikat edellyttävät valmistusprosessin erittäin tarkkaa hallintaa.

Nyt käsillä olevan keksinnön pääasiallisena tarkoituksena on aikaan-10 saada uusi termisen reaktorin käyttöön perustuva menetelmä tasomaisen, erityisesti tasoaaltojohteessa käytettäväksi soveltuvan lasipin-noitteen valmistamiseksi, jossa menetelmässä valmistusprosessin hallinta ja säädettävyys ovat merkittävästi parempia kuin nykyisin tunnetuissa menetelmissä. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksin-15 nön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön tarkoituksena on edelleen aikaansaada em. menetelmän toteuttava laitteisto. Keksinnön mukaiselle laitteistolle on vastaavasti 20 pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 10 tunnusmerkkiosassa.

Keksintö perustuu keskeisesti siihen ajatukseen, että käytettäessä termistä reaktoria, kuten esimerkiksi liekkiä muodostamaan lasipin-·.·; 25 noitteen aikaansaamisessa tarvittavia aerosolihiukkasia, niin sen sijaan .että aerosolihiukkaset liikkuisivat pinnoitettavalle substraatille olennai-/*/·. sesti ainoastaan termoforeesin synnyttämien voimien vaikutuksesta, järjestetään sopivan paine-eron avulla termisessä reaktorissa syntyvien aerosolihiukkasten ja kaasujen virtaus mainitulta reaktorilta kohti 30 substraattia. Tällöin paine-erosta aiheutuvan kaasuvirtauksen mukana liikkuvilla aerosolihiukkasilla on merkittävä termoforeettiset voimat ylittävä liikemäärä, jolloin tämän liikemäärän vaikutuksesta aerosolihiuk-/*: kaset törmäävät ja kiinnittyvät substraattiin, ts. lasipinnoitteen muodostus substraatille tapahtuu ns. impaktioon perustuen. Impaktion . 35 aikaansaamiseksi tarvittava kaasuvirtaus aikaansaadaan järjestämällä *: sopiva paine-ero termisen reaktorin ja substraatin välille asetetun 4 111939 suutinosan ylitse, jonka mainitun suutinosan mainittu kaasuvirtaus läpäisee.

Aerosolihiukkasten liike kaasuvirtauksen mukana suutinosan lävitse 5 mahdollistaa tekniikan tasoa huomattavasti paremman pinnoituspro-sessin hallinnan, koska keksinnön mukaisesti aerosolihiukkasia voidaan kaasuvirtaukseen vaikuttaen ohjata nyt hiukkassuihkuna impaktoitumaan tarkemmin haluttuun kohtaan substraattia, ja aerosolihiukkasia voidaan edelleen tarvittaessa myös luokitella niiden aerody-10 naamisen koon perusteella tasalaatuisemman pinnoitteen muodostamiseksi. Em. kokoluokittelu voidaan toteuttaa aerodynaamiseen koko-erotteluun perustuen, jonka fysikaaliset periaatteet ovat sinänsä tunnettuja mm. aerosolihiukkasten mittaamiseen ja erotteluun tarkoitetuista laitteista.

15

Keksinnön eräässä edullisessa suoritusmuodossa termisessä reaktorissa aikaansaadut aerosolihiukkaset ohjataan kaasuvirtauksen mukana virtausta ohjaavan suutinosan lävitse impaktoitumaan hiukkassuihkuna substraatin pintaan, jolloin mainittu impaktio mahdol-20 listaa termoforeesiin perustuvaa pinnoitteen muodostumista merkittävästi tiiviimmän pinnoitekerroksen aikaansaamisen. Em. keksinnön mukaisella tavalla aikaansaadusta pinnoitekerroksesta voidaan sintra-uksen yhteydessä muodostaa erittäin homogeeninen lopullinen lasi-kerros.

,·. 25

Suutinosan muotoilulla voidaan tarvittaessa vaikuttaa substraatin pintaan osuvaan hiukkassuihkuun, sen poikkileikkauksen muotoon ja nopeuteen, jolloin hiukkassuihku voidaan esimerkiksi rajoittaa kohdistumaan vain haluttuun kohtaan substraattia. Tällöin substraattia ·;' 30 hiukkassuihkun suhteen, hiukkasuihkun etenemissuuntaan nähden poikkisuuntaan liikuttelemalla voidaan aikaansaada joko tasavahvuinen pinnoitekerros koko substraatin pinnan alalle, tai sopivasti substraattia hiukkassuihkun suhteen liikuttelemalla pinnoitekerroksen vahvuutta voidaan säätää tarvittaessa myös erilaiseksi eri kohdissa substraatin ; 35 pintaa.

5 111939

Substraattiin osuvan kaasuvirtauksen nopeutta säätämällä voidaan substraattiin impaktoituvia aerosolihiukkasia edelleen luokitella niiden aerodynaamiseen koon perusteella siten, että ainoastaan tiettyä kokoa suuremmat hiukkaset impaktoituvat substraatille muodostaen pinnoi-5 tetta. Em. ylipäästöhiukkassuotimen tapaan toimivan kokoluokittelun avulla pinnoitteen muodostumiseen osallistuvien aerosolihiukkasten kokojakauma saadaan säädettyä kapeammaksi estämällä siis tiettyä kokoa pienempien aerosolihiukkasten osallistuminen pinnoitteen muodostumiseen. Tämän seurauksena muodostuva pinnoite on 10 laadultaan homogeenisempaa.

Keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa ennen kaasuvirtauksen ohjaamista termiseltä reaktorilta suutinosan lävitse kohti substraatin pintaa, kaasuvirtaus ja sen sisältämät aerosolihiukkaset ohjataan ensin 15 ns. esierotusasteen kautta. Tämä esierotusaste toimii alipäästöhiuk-kassuotimena poistaen kaasuvirtauksesta tiettyä suuremmat aerosolihiukkaset ennen kaasuvirtauksen ja sen sisältämien aerosolihiukkasten ohjaamista suutinosan lävitse varsinaiselle substraatille pinnoitteen muodostamiseksi. Esierotusasteen avulla voidaan estää termisessä 20 reaktorista tulevien liian isojen hiukkasten pääsy substraatille. Tällaisiä hiukkasia voi syntyä esimerkiksi termisenä reaktorina toimivan liekin muodostamisessa käytettävän kaasupolttimen kuonaantuessa, ja kuonakappaleiden edelleen irrotessa kaasuvirtauksen mukaan.

25 Tarvittaessa edellä selostettuja keksinnön mukaisia ylipäästö- ja ali-. päästöhiukkasuotimien tapaan toimivia ratkaisuja yhdistämällä voidaan pinnoitteen muodostumiseen osallistuvien aerosolihiukkasten kokojakauma säätää halutuksi, jolloin pinnoitteen muodostamiseen osallis-'· tuvat aerosolihiukkaset ovat myös keskenään koostumukseltaan 30 mahdollisimman tasalaatuisia ja muodostuva pinnoite saadaan siten ...: koostumukseltaan homogeeniseksi.

Nyt esillä olevan keksinnön avulla päästään siis termisen reaktorin käyttöön perustuvia tunnetun tekniikan tason menetelmiä huomatta-/ . 35 vasti parempaan valmistusprosessin hallintaan ja säädettävyyteen ' ; tasomaisia lasipinnoitteita valmistettaessa. Tämä mahdollistaa edel- 6 111939 leen esimerkiksi korkeampilaatuisten optisten tasoaaltojohteiden valmistamisen.

Seuraava esimerkkien avulla suoritettava keksinnön yksityiskohtai-5 sempi selitys havainnollistaa alan ammattimiehelle edelleen selvemmin keksinnön edullisia suoritusmuotoja sekä keksinnöllä tunnettuun tekniikan tasoon nähden saavutettavia etuja.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viittaamalla oheisiin 10 piirustuksiin, joissa kuva 1 havainnollistaa periaatteellisesti keksinnön erästä edullista suoritusmuotoa, 15 kuva 2 esittää periaatteellisesti substraatille osuvien aerosolihiukkasten kokojakaumaa kuvan 1 tilanteessa, kuvat 3a-3c havainnollistavat yläkuvantoina, ts. kaasuvirtauksen ete-nemissuunnasta katsottuna periaatteellisesti suutinosan 20 aukon/aukkojen sijoittelua, kuva 4 havainnollistaa periaatteellisesti keksinnön erästä toista suoritusmuotoa, ja ·.. 25 kuva 5 esittää periaatteellisesti substraatille osuvien aerosolihiuk- ,·, kasien kokojakaumaa kuvan 4 tilanteessa.

: \ Kuvassa 1 on esitetty keksinnön ensimmäinen suoritusmuoto. Termi- nen reaktori 10 on suljettu ensimmäiseen kammioon 11. Ensimmäinen 30 kammio 11 on yhdistetty suutinosan 12 avulla toiseen kammioon 13 siten, että ensimmäinen kammio 11 ja toinen kammio 12 muodostavat yhdessä kaasutiiviin, ympäröivästä ilmakehästä erotetun järjestelmän.

Terminen reaktori 10 voi olla poltin, jossa muodostetaan liekki palavia . 35 ja hapettavia polttokaasuja 14 polttaen, ja johon liekkiin lasin muodos- tamisessa tarvittavat lähtöaineet 15 tuodaan esimerkiksi aerosoli- pisaroina kantokaasun mukana, joista mainituista aerosolipisaroista 7 111939 liekissä muodostuu edelleen lasipinnoitteen muodostamisessa tarvittavia aerosolihiukkasia 16. Polttokaasuina 14 voidaan käyttää esimerkiksi vetyä + happea tai metaania + happea.

5 Lähtöaineina 15 voidaan käyttää esimerkiksi pii- tai germaniumtetraklo-ridia, tai kloorivapaita lähtöaineita kuten TEOS (engl. tetraethylortosili-cate) tai GEOS (engl. tetraethoxygermanium) sopivassa muodossa. Ns. monikomponenttisen lasin muodostamiseksi lähtöaineet 15 voivat edellisten lisäksi sisältää sopivassa muodossa myös harvinaisia maa-10 metalleja ja lantanideja, kuten esimerkiksi erbiumia ja/tai neodyymia, sekä edelleen myös alumiinia, fosforia, booria ja/tai fluoria.

Edullisesti terminen reaktori 10 on suomalaisessa patentissa numero 98832 tai kansainvälisessä patenttihakemuksessa PCT/FI99/00818 15 esitetyn mukainen liekkiruisku, jossa liekkiruiskussa osa lasimateriaalin muodostamisessa tarvittavista lähtöaineista 15 voidaan johtaa liekkiin 10 nestemäisessä muodossa siten, että mainittu lähtöaine/-aineet pisa-roitetaan aerosolipisaroiksi vasta liekin 10 välittömässä läheisyydessä juuri ennen niiden johtamista liekkiin 10. Tällä saavutetaan se merkit-20 tävä etu, että liekkiin 10 syötettävät yksittäiset aerosolipisarat sisältävät käytetyn nestemäisen lähtöaineen eri ainesosat tarkasti ko. aineosien alkuperäisessä suhteessa, koska näiden ainesosien toisistaan eroavat höyrynpaineet eivät ehdi vaikuttaa aerosolipisaroiden koostumukseen. Mikäli aerosolipisarat muodostetaan jossain muualla, esimerkiksi 25 kauempana liekistä 10 erillisessä säiliössä josta ne johdetaan kanto-kaasun avulla edelleen liekkiin 10, niin tällöin suuremman höyryn-paineen omaavat ainesosat syöttyvät matalamman höyrynpaineen omaavia ainesosia tehokkaammin, jolloin aerosolipisaroiden koostumus ei tarkasti vastaa lähtöaineena käytettävän nesteen alkuperäistä 30 koostumusta. Kantokaasua käytettäessä pienten aerosolipisaroiden pinnalta myös höyrystyy ainesosia epähomogeenisessa suhteessa riippuen mainittujen ainesosien höyrynpaineiden välisistä eroista, jolloin aerosolipisaroiden koostumus muuttuu niiden ollessa kantokaasun kuljettamina.

35 Käyttämällä termisenä reaktorina 10 em. suomalaisessa patentissa numero 98832 tai kansainvälisessä patenttihakemuksessa t t 8 111939 PCT/FI99/00818 esitetyn mukaista liekkiruiskua etuna on edelleen se, että liekkiin 10 voidaan syöttää suurempia ainemääriä verrattuna sellaisiin menetelmiin, joissa aerosolipisarat muodostetaan kauempana liekistä 10 ja kuljetetaan liekkiin 10 kantokaasun mukana. Suurilla 5 nestemäisten lähtöaineiden 15 syöttömäärillä kantokaasua käytettäessä aerosolipisaroiden koko pyrkii kuljetuksen aikana kasvamaan mm. koagulaatiosta ja agglomeraatiosta johtuen ennen aerosolipisaroiden joutumista liekkiin 10. Lisäksi käytettävän kuljetuskanavan, esimerkiksi putkiston seinämille tapahtuu häviöitä ja tätä kautta kuljetus-10 kanava myös pyrkii likaantumaan vaikeuttaen edelleen prosessin hallintaa. Suomalaisessa patentissa numero 98832 tai kansainvälisessä patenttihakemuksessa PCT/FI99/00818 esitetyn mukaista liekki-ruiskua termisenä reaktorina 10 käyttäen aerosolipisaroista tuotettujen aerosolihiukkasten koko on tyypillisesti luokkaa 20 - 80 nm, jolloin 15 aerosolihiukkasten kapea kokojakauma mahdollistaa keksinnön mukaista kokoluokittelua käyttäessä suuren saannon, ts. hyvän pinnoitteen kasvunopeuden.

Keksintö ei kuitenkaan rajoitu pelkästään em. liekkiruiskun käyttöön 20 termisenä reaktorina 10. Terminen reaktori 10 voi olla myös mikä tahansa muu alan ammattimiehelle ilmeinen tapa sellaisen korkean paikallisen lämpötilan tuottamiseksi, jossa vastaavat aerosolihiukkasia synnyttävät reaktiot saadaan aikaan. Tällaisia mahdollisuuksia ovat esimerkiksi erilaiset plasmat, joita voidaan aikaansaada esimerkiksi 25 sähkövirran tai laservalon avulla. Lasimateriaalin muodostamisessa tarvittavat lähtöaineet 15 voidaan myös tuoda prosessiin millä tahansa sinänsä tunnetulla tavalla.

Termisessä reaktorissa 10 lähtöaineista 15 syntyneet aerosolihiukkaset • 30 16 liikkuvat suutinosan 12 läpi ensimmäisestä kammiosta 11 toiseen kammioon 13 ja kohti substraattia 17 kaasuvirtauksen 18 mukana, joka kaasuvirtaus 18 aikaansaadaan järjestämällä sopiva paine-ero ensim-mäisen kammion 11 ja toisen kammion 13 välille suutinosan 12 ylitse. Edullisesti em. paine-ero aikaansaadaan imupumpun 19 avulla, joka 35 imupumppu 19 poistaa kaasua toisesta kammiosta 13. On luonnolli-sesti selvää, että paine-ero voidaan aikaansaada myös järjestämällä ylipaine ensimmäiseen kammioon 11 suhteessa toiseen kammioon 13.

9 111939 Tällöin kaasu voi virrata ulos toisesta kammiosta myös ilman imu-pumppua 19.

Substraatti 17 voi olla piitä, lasia, kvartsia tai muuta tarkoitukseen sopi-5 vaa materiaalia. Substraatti 17 on edullisesti muodoltaan ohut pyöreä kiekko, esimerkiksi piikiekko, mutta myös muun muotoisten substraattien käyttö on mahdollista.

Substraattiin 17 osuessaan kaasuvirtaus 18 muuttaa jyrkästi 10 suuntaansa. Tällöin pienimmät aerosolihiukkaset 16 joiden aerodynaaminen koko on sellainen, että ne pystyvät seuraamaan suuntaansa nopeasti muuttavaa kaasuvirtausta 18 sen kohdatessa ja kiertäessä substraatin 17, eivät osu lainkaan substraattiin 17, ja eivät siten osallistu pinnoitteen muodostamiseen. Em. kokoa suuremmat aerosolihiuk-15 kaset eivät taas vastaavasti pysty seuraamaan kaasuvirtausta 18 ja impaktoituvat substraattiin 17 muodostaen pinnoitetta. Substraattiin 17 osuvan kaasuvirtauksen 18 nopeutta, ja siten aerosolihiukkasten kokoluokittelua (ylipäästöä) voidaan säätää muuttamalla suutinosan 12 etäisyyttä substraatista 17 ja/tai vaihtelemalla suutinosassa 12 olevien 20 aukon/aukkojen 20 kokoa ja/tai muuttamalla suutinosan 12 yli vaikuttavaa paine-eroa. Aerodynaamisen kokoluokittelun fysikaaliset perusteet ovat sinänsä hyvin tunnettuja, eikä niitä sen vuoksi ole tarkoituksenmukaista käsitellä tässä sen enempää.

25 Kuvassa 2 on esitetty periaatteellisesti substraatille 17 impaktoituvien ja lasipinnoitetta muodostavien aerosolihiukkasten 16 kokojakaumaa kuvan 1 mukaisessa tilanteessa. Substraatille 17 pääsevät impaktoi-tumaan ainoastaan aerodynaamiselta kooltaan tiettyä raja-arvoa suuremmat aerosolihiukkaset (ylipäästö), jotka kuvassa 2 kuuluvat 30 viivoituksella merkitylle alueelle.

Suutinosa 12 voi sisältää yhden tai useamman aukon 20 kaasuvir-tauksen ohjaamiseksi substraattia 17 kohti. Kuvissa 3a-3c on yläku-vantona, ts. kaasuvirtauksen 18 etenemissuunnasta katsottuna esitetty .· . 35 periaatteellisesti muutamia esimerkkejä aukon/aukkojen 20 sijoittami- *; sesta ja muodosta suutinosassa 12. Kuvissa 3a-3c on pyöreän sub straatin 17 sijainti suhteessa suutinosaan 12 esitetty periaatteellisesti I · • · 10 111939 katkoviivalla. Liikuttamalla suutinosaa 12 (ja samalla myös termistä reaktoria 10) suhteessa substraattiin 17 voidaan aikaansaada joko tasapaksuinen pinnoitekerros koko substraatin 17 pinnan alalle, tai pinnoitekerroksen paksuutta voidaan säätää tarvittaessa myös erilai-5 seksi eri kohdissa substraatin 17 pintaa.

Kuvissa 3a-3c esitetystä poiketen suutinosa 12 voi tarvittaessa olla substraattiin 17 nähden myös huomattavasti kuvissa 3a-3c esitettyä pienempi, jolloin hiukkassuihku saadaan kohdistettua tarkemmin halu-10 tulle kohtaa substraattia 17. Tämä mahdollistaa kuvioiden muodostamisen pinnoitekerrokseen suutinosaa 12 ja substraattia 17 toisiinsa nähden liikuttamalla. Pinnoitekerroksen paksuuden lisäksi pinnoitekerroksen paikallisia ominaisuuksia voidaan tarvittaessa muuttaa myös vaihtelemalla lähtöaineiden 15 syöttöä/koostumusta liikutettaessa 15 suutinosaa 12 substraattiin 17 nähden. Em. tavoilla on mahdollista valmistaa myös tasapaksuinen pinnoitekerros, jossa lasimateriaalin koostumus ja sen seurauksena lasimateriaalin ominaisuudet vaihte-levat paikallisesti.

20 Pinnoitusprosessiin ja substraatin 17 pinnalle muodostuvan pinnoitteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa myös muuttamalla substraatin 17 etäisyyttä suutinosasta 12. Tämä vaikuttaa ensinnäkin substraatin 17 pinnalle impaktoituvien aerosolihiukkasten 16 aerodynaamiseen koko-luokitteluun suuttimen 12 ja substraatin 17 välisten kaasuvirtauksen 18 25 virtausolosuhteiden muuttuessa, ja toiseksi sillä voidaan vaikuttaa myös aerosolihiukkasten 16 viipymäaikaan kaasuvirtauksessa 18. Em. viipymäaika vaikuttaa aerosolihiukkasten 16 ominaisuuksiin, ja siten myös substraatille 17 muodostuvan pinnoitteen ominaisuuksiin.

30 Substraatin liikutus toisessa kammiossa 13 suhteessa suutinosaan 12 voidaan toteuttaa mitä tahansa sinänsä tunnettuja menetelmiä käyttäen. On myös mahdollista että suutinosan 12 ja substraatin 17 välisen suhteellinen liike toteutetaan liikuttamalla suutinosaa 12 ja termistä reaktoria 10 suhteessa toiseen kammioon 13, johon • . 35 kammioon 13 nähden substraatti 17 pysyy tällöin paikoillaan.

• · « 11 111939

Kuvan 3c mukainen suutinosa 12 mahdollistaa yhdessä, aukkoon 20 nähden poikittaisessa suunnassa (kuvassa 3c suunta z) paksuudeltaan hallitusti muuttuvan lasikerroksen muodostamisen substraatin 17 pinnalle suutinosaa 12 ja substraattia 17 toisiinsa nähden mainitussa 5 suunnassa z liikuttamalla. Tällä tavoin on mahdollista muodostaa esimerkiksi ns. taper-elementti, joka mahdollistaa optisen tasoaalto-johteen valokanavan, ts. ydinkerroksen paksuuden muuttamisen tietyllä matkalla (z-suunnassa) hitaasti siten, että ydinkerroksessa etenevä valo ei karkaa ympäröiviin kuorikerroksiin. Näin voidaan sovittaa eri-10 laisten valojohteiden (esimerkiksi valokuitu) tai valolähteiden (esimerkiksi puolijohdelaser) kytkeminen tasoaaltojohteen reunaan hyvällä hyötysuhteella sovittamalla valokanavien koko toisiaan vastaaviksi.

Substraatti 17 on pinnoitustapahtuman ajaksi kiinnitetty tiiviisti alustan 15 21 päälle hyvän lämmönjohtavuuden aikaansaamiseksi mainitun alus tan 21 ja substraatin 17 välille. Em. kiinnitys voi tapahtua sinänsä tunnetulla tavalla esimerkiksi imemällä substraatti 17 alipaineella kiinni alustaan 21, tai kiinnitys voi tapahtua myös mitä tahansa muuta alan ammattimiehelle ilmeistä tapaa käyttäen.

20

Alusta 21 voi olla järjestetty lämmitettäväksi ja/tai jäähdytettäväksi, jolloin alustan 21 avulla voidaan substraatin 17 lämpötilaa säädellä pinnoitusprosessin hallitsemiseksi.

25 Substraatin 17 lämpötilaa alustan 21 lämmityksen avulla kohottamalla voidaan tarvittaessa estää pienimpien aerosolihiukkasten 16 kiinnitty-: mistä substraatille 17, koska kuuma substraatti 17 aiheuttaa tällöin ns.

käänteisen termoforeettisen ilmiön, jonka seurauksena pienimpien aerosolihiukkasten 16 voimakas lämpöliike estää niitä kiinnittymästä 30 substraatille 17.

> »

Aerosolihiukkasten 16 estämiseksi kiinnittymästä ensimmäisen kammion 11 ja/tai toisen kammion 13 seinämille, on mainittujen kammioiden seinämät järjestetty tarvittavilta osin lämmitettäviksi esi-35 merkiksi sähkövastusten avulla. Edelleen on mahdollista, että myös ‘; suutinosa 12 on järjestetty lämmitettäväksi.

I · 12 111939

Kuvassa 4 on esitetty keksinnön eräs toinen suoritusmuoto, jossa ennen kaasuvirtauksen 18 ohjaamista termiseltä reaktorilta 10 suutin-osan 12 lävitse kohti substraatin 17 pintaa, kaasuvirtaus 18 ohjataan ensin esierotusasteen 41,42 kautta. Virtausohjaimesta 41 ja keräys-5 alustasta 42 koostuva esierotusaste toimii alipäästöhiukkassuotimena poistaen kaasuvirtauksesta 18 aerodynaamiselta kooltaan tiettyä suuremmat aerosolihiukkaset 16, jotka impaktoituvat ja kiinnittyvät keräysalustalle 42.

10 Esierotusasteen 41,42 avulla voidaan estää termisessä reaktorista 10 tulevien liian isojen aerosolihiukkasten 16 pääsy substraatille 17. Tällaisia hiukkasia voi syntyä tietty määrä aerosolihiukkasia muodostavan prosessin toimiessa normaaliin tapaan, tai liian isoja hiukkasia voi syntyä myös ajoittain tilanteessa jossa prosessin normaali toiminta 15 häiriintyy. Tällainen häiriötilanne tilanne voi syntyä esimerkiksi liekin muodostamisessa käytettävän kaasupolttimen kuonaantuessa, ja kuonakappaleiden irrotessa kaasuvirtauksen 18 mukaan, tai esimerkiksi käytettäessä laserablaatiota, ts. laservalon avulla synnytettyä plasmaa lähtöaineiden höyrystämiseksi kiinteästä olomuodosta aero-20 solipartikkeleiksi.

Kuvassa 5 on esitetty periaatteellisesti substraatille 17 impaktoituvien ja lasipinnoitetta muodostavien aerosolihiukkasten 16 kokojakaumaa kuvan 4 mukaisessa tilanteessa. Substraatille 17 pääsevät impaktoi-25 tumaan ainoastaan aerodynaamiselta kooltaan tiettyyn kokoluokkaan, : kuvassa 5 viivoituksella merkitylle alueelle kuuluvat aerosolihiukkaset, f Kuvassa 5 esierotusasteen 41,42 aiheuttamaa alipäästöhiukkas- suodatusta on merkitty käyrällä 2, ja suutinosan 12 ja substraatin 17 keskinäisestä vaikutuksesta aiheutuvaa ylipäästöhiukkassuodatusta on < t 30 merkitty käyrällä 1 (vrt. kuva 2).

· ·

Em. esierotusaste 41,42 voi tarvittaessa käsittää myös useampia virtausohjaimen 41 ja keräysalustan 42 muodostamia erillisiä ja peräk- "· käisiä impaktoriasteita. Impaktoriasteiden käyttöön perustuva hiukkas- • . 35 kokoluokittelu, tällaisen impaktorin toteutus ja toiminta yleensä mukaan < · lukien useampiasteisen impaktorin peräkkäisten asteiden mitoitus, sekä aerosolipartikkelien aerodynaamisen koon tarkempi määrittely *»· 13 111939 ovat alan ammattimiehille sinänsä tunnettuja asioita, eikä niitä siten tässä yhteydessä keksintöön varsinaisesti kuulumattomina käsitellä enempää.

5 Esierotusaste 41,42 voi olla tarvittaessa järjestetty lämmitettäväksi esimerkiksi sähköisesti estämään aerosolihiukkasten 16 ei-toivottu kiinnittyminen esierotusasteen 41,42 eri komponenttien pinnoille.

Kun edellä esitettyjä keksinnön suoritusmuotoja käyttäen substraatin 10 17 pinnalle on saatu muodostettua halutunkaltainen kerros aerosoli hiukkasia, lopetetaan pinnoitekerroksen muodostus/kasvatus joko sammuttamalla terminen reaktori 10 kokonaisuudessaan tai lopettamalla aerosolihiukkasten muodostamiseen käytettyjen lähtöaineiden 15 syöttäminen termiseen reaktoriin 10, ja/tai liikuttamalla substraatti 17 15 sivuun aerosolihiukkassuihkun alta.

Tämän jälkeen substraatin 17 pinnalle oleva pinnoitekerros, joka tässä vaiheessa on vielä huokoinen, vain osittain toisiinsa kiinni sulaneista hiukkasista koostuva kerros, sintrataan tiiviiksi lasimateriaaliksi kohot-20 tarinalla alustan 21 lämpötilaa siten, että substraatille impaktoituneet hiukkaset sulavat yhteen muodostaen homogeenisen lasikerroksen. Vaihtoehtoisesti substraatti 17 voidaan kuumentamalla tapahtuvaa sintrausta varten siirtää myös erilliseen uuniin, jossa sintraus suoritetaan sinällään tunnettuja menetelmiä käyttäen.

v. 25

Yhteenvetona voidaan todeta, että keksinnön mukaista menetelmää ja laitteistoa käyttäen päästään termisen reaktorin käyttöön perustuvia » tekniikan tason menetelmiä merkittävästi parempaan valmistuspro-i sessin hallintaan ja säädettävyyteen. Keksinnön mukaisesti substraa- 30 tille 17 pinnoitteen muodostavat aerosolihiukkaset 16 saadaan ohjattua tekniikan tasoa tarkemmin haluttuun kohtaan substraattia 17, ja substraattia 17 suutinosan 12 suhteen liikuttelemalla voidaan joko aikaansaada koko substraatin 17 pinnan alalle tasapaksuinen pinnoitekerros i · *. tai vastaavasti pinnoitekerros, jonka paksuus muuttuu hallitusti halu- 35 tulla tavalla eri kohdissa substraattia 17. Edelleen muutettaessa lähtö-aineiden 15 syöttöä/koostumusta liikutettaessa suutinosaa 12 sub-

I I

» I

14 111939 straattiin 17 nähden, voidaan eri kohtiin substraattia 17 valmistaa ominaisuuksiltaan erilaista pinnoitetta.

Keksinnön mahdollistama substraatille 17 pinnoitetta muodostavien 5 aerosolipartikkeleiden kokoluokittelu mahdollistaa tekniikan tason menetelmiä korkealaatuisempien pinnoitteiden aikaansaamisen. Tekniikan tason menetelmissä substraatille 17 päätyvät pienet hiukkaset esimerkiksi poikkeavat halutun kokojakauman omaavista suuremmista hiukkasista koostumukseltaan, koska niiden syntypro-10 sessi hiukkasten pinnalle tapahtuvan eri komponenttien kondensaa-tion/koagulaation/agglomeraation osalta poikkeaa suurempien aerosolihiukkasten läpikäymästä syntyprosessista. Pienet hiukkaset voivat myös aiheuttaa kuplia tms. virheitä lasikerrosta sintrattaessa. Samasta syystä myös suuremmilla aerosolihiukkasilla voi olla erilaisesta synty-15 prosessista johtuen erilainen koostumus, ja myös ne voivat aiheuttaa paikallisia virheitä sintrausvaiheessa. Erityisesti laitteiston kuonaantu-misesta tai muusta virhetoiminnosta aiheutuneet suuret hiukkaset aiheuttavat pinnoitteeseen virheitä. Keksinnön avulla pinnoitetta substraatille 17 muodostavien aerosolihiukkasten kokojakauma voidaan 20 rajata kapeammaksi, jolloin mainitut aerosolihiukkaset ovat keskinäiseltä koostumukseltaan tasalaatuisempia, ja siten myös niistä muodostuva pinnoite saadaan hyvin tasalaatuiseksi.

Alan ammattimiehelle on luonnollisesti selvää, että edellä keksinnön eri 25 suoritusmuotojen yhteydessä esitettyjä menetelmiä, toimintatapoja ja ;* laitteiston rakenteita eri tavoin yhdistelemällä voidaan aikaansaada » erilaisia keksinnön suoritusmuotoja, jotka ovat keksinnön hengen mukaisia. Tämän vuoksi edellä esitettyjä esimerkkejä ei tule tulkita '·: keksintöä rajoittavasti, vaan keksinnön suoritusmuodot voivat vapaasti 30 vaihdella jäljempänä patenttivaatimuksissa esitettyjen keksinnöllisten piirteiden puitteissa.

·. Alan ammattimiehelle on luonnollisesti myös selvää, että oheiset *·. piirustukset on tarkoitettu ainoastaan keksinnön havainnollistamiseksi, 35 ja siten niissä esitetyt rakenteet ja komponentit eivät ole piirretty niiden ‘ i oikeita keskinäisiä mittasuhteita vastaavasti.

I · » * I »

i I

»

Claims (21)

111939

1. Menetelmä tasomaisen, erityisesti tasoaaltojohteissa käytettäväksi soveltuvan lasipinnoitteen muodostamiseksi, jossa menetelmässä 5 käytetään termistä reaktoria (10), kuten liekkiä tai plasmaa synnyttämään lähtöaineista (15) aerosolihiukkasia (16), jotka mainitut aerosolihiukkaset (16) johdetaan substraatin (17) pinnalle lasipinnoitteen muodostamiseksi, tunnettu siitä, että termisessä reaktorissa (10) lähtöaineista (15) syntyvät aerosolihiukkaset (16) ohjataan suutinosan 10 (12) lävitse kulkevan kaasuvirtauksen (18) mukana impaktoitumaan hiukkassuihkuna substraatille (17), joka mainittu kaasuvirtaus (18) aikaansaadaan järjestämällä paine-ero suutinosan (12) ylitse.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 suutinosan (12) muotoilulla ja/tai sijoituksella substraattiin (17) nähden kaasuvirtaus (18) ja sen sisältämät aerosolihiukkaset (16) ohjataan impaktoitumaan haluttuun kohtaan ja/tai halutulle alalle substraattia (17).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suutinosan (12) muotoilulla ja/tai sijoituksella substraattiin (17) nähden, sekä suutinosan (12) läpäisevän kaasuvirtauksen nopeuteen paine-eron avulla vaikuttamalla kaasuvirtaus (18) ja sen sisältämät aerosolihiukkaset (16) ohjataan kohtaamaan substraatti (17) halutulla 25 tavalla substraatille (17) impaktoituvien hiukkasten luokittelemiseksi niiden aerodynaamisen koon perusteella ylipäästöhiukkassuotimen :.:V tavoin. > » «

4. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 1-3 mukainen mene-:***: 30 telmä, tunnettu siitä, että ennen kaasuvirtauksen (18) ja sen sisältämien aerosolihiukkasten (16) ohjaamista suutinosan (12) lävitse sub-.···. straatille (17), kaasuvirtaus (18) ja sen sisältämät aerosolihiukkaset (16) ohjataan yhden tai useamman alipäästöhiukkassuotimena toimi- van esierotusasteen (41,42) lävitse, jotka kukin esierotusaste käsittävät 35 virtausohjaimen (41) ja sitä kaasuvirtauksen suunnassa seuraavan keräysalustan (42). 111939

5. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että termisenä reaktorina (10) käytetään liekki-ruiskua, jossa liekkiruiskussa osa lasimateriaalin muodostamisessa tarvittavista lähtöaineista (15) johdetaan liekkiin (10) nestemäisessä 5 muodossa siten, että mainittu lähtöaine/-aineet (15) pisaroitetaan aero-solipisaroiksi vasta liekin (10) välittömässä läheisyydessä juuri ennen niiden johtamista liekkiin (10).

6. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 1-5 mukainen mene-10 telmä, tunnettu siitä, että lähtöaineena (15) tai sen eräänä ainesosana käytetään piitetetrakloridia, germaniumtetrakloridia, TEOSria (engl. tetraethylortosilicate) tai GEOS:ia (engl. tetraethoxygermanium).

7. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 1-6 mukainen mene-15 telmä, tunnettu siitä, että monikomponenttisen lasin muodostamiseksi lähtöaine (15) tai sen joku ainesosa sisältää erbiumia, neodyniumia, muuta lantanidia, alumiinia, fosforia, booria ja/tai fluoria.

8. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 1-7 mukainen mene-20 telmä, tunnettu siitä, että suutinosaa (12) ja substraattia (17) liikutetaan toisiinsa nähden olennaisesti substraatin (17) pinnan suuntaisessa tasossa siten, että terminen reaktori (10) pysyy suutinosaan (12) nähden vakioasemassa.

9. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 1-8 mukainen mene- telmä, tunnettu siitä, että suutinosaa (12) ja substraattia (17) liiku-tetaan toisiinsa nähden olennaisesti substraatin (17) pinnan tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa suutinosan (12) ja substraatin (17) välisen etäisyyden muuttamiseksi. 30

10. Laitteisto tasomaisen, erityisesti tasoaaltojohteissa käytettäväksi .···. soveltuvan lasipinnoitteen muodostamiseksi, joka laitteisto käsittää termisen reaktorin (10), kuten liekin tai plasman aerosolihiukkasten :* (16) synnyttämiseksi lähtöaineista (15) ja välineet aerosolihiukkasten 35 (16) johtamiseksi substraatin (17) pinnalle lasipinnoitteen muodostami- ·:··: seksi, tunnettu siitä, että mainittu laitteisto käsittää ainakin 111939 — ensimmäisen kammion (11) ja — toisen kammion (13), sekä — ensimmäistä (11) ja toista (13) kammiota yhdistävän suutinosan (12) siten, että ensimmäinen (11) ja toinen (13) kammio on 5 järjestetty muodostamaan olennaisesti kaasutiivis, ympäröivästä ilmakehästä erotettu järjestelmä, sekä — ensimmäiseen kammioon (11) sijoitetun termisen reaktorin (10), ja — toiseen kammioon (13) alustalle (21) sijoitetun substraatin (17), sekä 10. välineet (19) paine-eron järjestämiseksi suutinosan (12) ylitse, jolloin termisessä reaktorissa (10) lähtöaineista (15) syntyvät aerosolihiukkaset (16) ohjautuvat paine-eron synnyttämän ja suutinosan (12) lävitse kulkevan kaasuvirtauksen (18) mukana impaktoitumaan 15 hiukkassuihkuna substraatille (17).

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että suutinosa (12) on järjestetty muotoilultaan ja/tai sijoitukseltaan substraattiin (17) nähden ohjaamaan kaasuvirtaus (18) ja sen sisältämät 20 aerosolihiukkaset (16) impaktoitumaan haluttuun kohtaan ja/tai halutulle alalle substraattia (17).

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että suutinosa (12) on järjestetty muotoilultaan ja/tai sijoitukseltaan • 25 substraattiin (17) nähden ohjaamaan paine-eron aiheuttama kaasuvir-•i.; taus (18) ja sen sisältämät aerosolihiukkaset (16) kohtaamaan sub- straatti (17) halutulla tavalla substraatille (17) impaktoituvien hiukkas-ten luokittelemiseksi niiden aerodynaamisen koon perusteella ylipääs-töhiukkassuotimen tavoin. 30

13. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-12 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu laitteisto käsittää lisäksi yhden tai • · useamman alipäästöhiukkassuotimena toimivan esierotusasteen *:* (41,42), jotka kukin esierotusaste käsittävät virtausohjaimen (41) ja sitä 35 kaasuvirtauksen suunnassa seuraavan keräysalustan (42), ja jotka " i esierotusaste/-asteet (41,42) on sijoitettu kaasuvirtauksen (18) virtaus- ♦ · · 111939 suunnassa ennen suutinosaa (12), ja jotka esierotusaste/-asteet on järjestetty toimimaan alipäästöhiukkassuotimena/-suotimina.

14. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-13 mukainen 5 laitteisto, tunnettu siitä, että termisenä reaktori (10) on liekkiruisku, jossa liekkiruiskussa osa lasimateriaalin muodostamisessa tarvittavista lähtöaineista (15) johdetaan liekkiin (10) nestemäisessä muodossa siten, että mainittu lähtöaine/-aineet (15) pisaroitetaan aerosoli-pisaroiksi vasta liekin (10) välittömässä läheisyydessä juuri ennen 10 niiden johtamista liekkiin (10).

15. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-14 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu laitteisto käsittää lisäksi välineet suutinosan (12) ja substraatin (17) liikuttamiseksi toisiinsa nähden 15 olennaisesti substraatin (17) pinnan suuntaisessa tasossa siten, että terminen reaktori (10) pysyy suutinosaan (12) nähden vakioasemassa.

16. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-14 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu laitteisto käsittää lisäksi välineet 20 suutinosan (12) ja substraatin (17) liikuttamiseksi toisiinsa nähden olennaisesti substraatin (17) pinnan tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa suutinosan (12) ja substraatin (17) välisen etäisyyden muuttamiseksi.

17. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-16 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu laitteisto käsittää lisäksi välineet ensimmäisen kammion (11) ja/tai toisen kammion (13) seinämien lämmittämiseksi. :1·1: 30 18. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-17 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu laitteisto käsittää lisäksi välineet suutinosan (12) ja/tai esierotusasteen/-asteiden komponenttien (41,42) lämmittämiseksi.

19. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-18 mukainen ·": laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu laitteisto käsittää lisäksi välineet .·!·. substraatin (17) alustan (21) lämmittämiseksi ja/tai jäähdyttämiseksi. » t · 1 · 111939

20. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-19 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että suutinosa (12) sisältää yhden tai useamman poikkileikkaukseltaan pyöreän ja/tai suorakaiteen muotoi- 5 sen aukon (20).

21. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen 10-20 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että suutinosa (12) sisältää yhden rakomaisen aukon (20) mainittuun aukkoon (20) nähden poikittaisessa suunnassa 10 (z) paksuudeltaan hallitusti muuttuvan lasikerroksen muodostamiseksi substraatin (17) pinnalle. » · · ·» • · 20 111939